Новые технологии помогут точно выявить «время смерти» клеток

Исследователи из института Гладстона (Gladstone Institutes) разрабатывают новую технологию для изучения факторов, которые могут привести к гибели клеток, в том числе при нейродегенеративных заболеваниях. 

Актуальность исследования

Трудно сказать, когда клетка мозга мертва. Нейроны, которые кажутся неактивными и фрагментированными под микроскопом, могут сохраняться в подвешенном состоянии жизни или смерти в течение нескольких дней, а некоторые внезапно начинают сигнализировать снова после того, как кажутся инертными. Для исследователей, изучающих нейродегенерацию, это отсутствие точного определения «времени смерти» для нейронов затрудняет определение того, какие факторы приводят к гибели клеток, и выявление препаратов, которые могли бы спасти стареющие клетки от смерти.

Новизна исследования

Теперь исследователи разработали новую технологию, которая позволяет им отслеживать тысячи клеток одновременно и определять точный момент смерти для любой клетки. В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, команда показала, что этот подход работает в клетках грызунов и человека, а также в живых рыбах, и может использоваться для наблюдения за клетками в течение нескольких недель или месяцев.

«Получение точного времени смерти очень важно для выяснения причин и следствий при нейродегенеративных заболеваниях», — заявляет Стив Финкбайнер (Steve Finkbeiner), автор исследования. «Это позволяет нам выяснить, какие факторы непосредственно вызывают гибель клеток, какие являются случайными, а какие могут быть механизмами преодоления, которые задерживают смерть».

Машинное обучение

В сопутствующей статье, опубликованной в журнале Science Advances, исследователи объединили технологию клеточных датчиков с подходом машинного обучения, обучая компьютер тому, как различать живые и мертвые клетки в 100 раз быстрее и точнее человека.

«Студентам колледжа потребовались месяцы, чтобы проанализировать такие данные вручную, и наша новая система работает почти мгновенно — на самом деле она работает быстрее, чем мы можем получать новые изображения с помощью микроскопа», — утверждает Джереми Линсли (Jeremy Linsley,) руководитель научной программы.

Когда клетки умирают — независимо от причины или механизма — они в конечном итоге становятся фрагментированными, а их мембраны дегенерируют. Но этот процесс деградации требует времени, из-за чего ученым трудно различать клетки, которые давно перестали функционировать, больные и умирающие, и здоровые.

Исследователи обычно используют флуоресцентные метки или красители, чтобы следить за больными клетками с помощью микроскопа с течением времени и пытаться диагностировать, где они находятся в процессе деградации. Многие индикаторные красители, пятна и этикетки были разработаны для того, чтобы отличать уже мертвые клетки от тех, которые все еще живы, но они часто работают только в течение коротких периодов времени до выцветания, а также могут быть токсичными для клеток при их нанесении.

«Мы хотели, чтобы индикатор действовал в течение всей жизни клетки, а не только в течение нескольких часов, а затем давал четкий сигнал только после определенного момента, когда клетка умирает», — говорит Линсли.

Кальций и смерть клетки

Исследователи кооптировали датчики кальция, первоначально разработанные для отслеживания уровня кальция внутри клетки. Когда клетка умирает и ее мембраны становятся негерметичными, одним из побочных эффектов является то, что кальций устремляется в водянистый цитозоль клетки, в котором обычно содержится относительно низкий уровень кальция. Линсли спроектировал датчики кальция так, чтобы они находились в цитозоле, где они будут флуоресцировать только тогда, когда уровень кальция повышается до уровня, указывающего на гибель клеток. Новые датчики, известные как генетически закодированный индикатор смерти (ГЗИС), могут быть вставлены в клетки любого типа и сигнализировать о том, что клетка жива или мертва в течение всей жизни клетки.

Результаты исследования

Чтобы проверить полезность переработанных датчиков, группа поместила под микроскоп большие группы нейронов, каждая из которых содержала ГЗИС. После визуализации более миллиона клеток, в некоторых случаях склонных к нейродегенерации, а в других подверженных воздействию токсичных соединений, исследователи обнаружили, что датчик ГЗИС был намного более точным, чем другие индикаторы гибели клеток: не было ни одного случая, когда датчик был активирован и клетка оставалась живой. Более того, в дополнение к этой точности, ГЗИС также обнаруживал гибель клеток на более ранней стадии, чем предыдущие методы, — близко к «точке невозврата» для гибели клеток.

«Это позволяет вам отделять живые и мертвые клетки так, как никогда раньше не было возможно, — говорит Линсли.

BO-CNN

Линсли рассказал о ГЗИС своему брату — Дрю Линсли (Drew Linsley), сотруднику Университета Брауна (Brown University), который специализируется на применении искусственного интеллекта к крупномасштабным биологическим данным. Его брат предложил использовать датчик в сочетании с подходом машинного обучения, чтобы научить компьютерную систему распознавать живые и мертвые клетки мозга, основываясь только на форме клетки. Команда объединила результаты нового датчика со стандартными данными флуоресценции на тех же нейронах, и они научили компьютерную модель, называемую BO-CNN, распознавать типичные паттерны флуоресценции, связанные с тем, как выглядят умирающие клетки. Эта модель, как показали братья Линсли, была на 96 процентов точной и лучше, чем то, что могут сделать наблюдатели-люди, и была более чем в 100 раз быстрее, чем предыдущие методы дифференцировки живых и мертвых клеток.

«Для некоторых типов клеток человеку чрезвычайно трудно определить, является ли клетка живой или мертвой, но наша компьютерная модель, обучаясь у ГЗИС, смогла различать их на основе частей изображений, которые, как мы ранее не знали, были полезны для различения живых и мертвых клеток», — говорит Джереми Линсли.

Практическая значимость работы

Теперь BO-CNN позволят ученым проводить новые, высокопроизводительные исследования, чтобы выяснить, когда и где умирают клетки мозга — очень важная конечная точка для некоторых из наиболее важных заболеваний. Они также могут проверять препараты на их способность задерживать или предотвращать гибель клеток при нейродегенеративных заболеваниях. Или, в случае рака, они могут искать лекарства, которые ускоряют гибель больных клеток.

«Эти технологии меняют правила игры в нашей способности понимать, где, когда и почему в клетках происходит смерть», — заключает Финкбайнер. «Впервые мы можем по-настоящему использовать скорость и масштаб, предоставляемые достижениями в области роботизированной микроскопии, для более точного обнаружения гибели клеток и сделать это задолго до момента смерти. Мы надеемся, что это может привести к более специфической терапии многих нейродегенеративных заболеваний, которые до сих пор были неизлечимы».

Авторы нового исследования утверждают, что ранняя гибель нервных клеток имеет решающее значение для формирования здорового мозга.

Перед применением советов и рекомендаций, изложенных на сайте «Medical Insider», обязательно проконсультируйтесь с врачом!

  telegram    

Редактор, автор статей.
Врач невролог в СЗЦДМ, г. Санкт-Петербург

E-mail для связи - info@medicalinsider.ru